生物醫(yī)學(xué)傳感器電阻

醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程系傳感器定義、組成、作用、分類、特點(diǎn)傳感器根本特性靜態(tài)特性〔靜態(tài)特性指標(biāo)〕動態(tài)特性零階、一階和二階傳感器的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)特性傳遞函數(shù)零階、一階和二階傳感器的動態(tài)響應(yīng)正弦響應(yīng)階躍響應(yīng)醫(yī)用傳感器根本類型電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器熱電式傳感器光電式傳感器電化學(xué)傳感器生物傳感器檢測與刺激電極第三章

電阻式傳感器第一節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器：

電阻〔應(yīng)變片〕式傳感器工作原理：電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬型半導(dǎo)體型金屬絲式金屬箔式電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生形變時，其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象叫電阻應(yīng)變效應(yīng)?！矐?yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)〕金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)根本組成結(jié)構(gòu)1.1金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)類型絲式應(yīng)變片短接式箔式應(yīng)變片箔式常見應(yīng)變片形式電阻應(yīng)變片應(yīng)變片的檢查與選擇試件外表處理底層處理貼片固化防潮防水應(yīng)變片的粘貼金屬應(yīng)變片特性幾何參數(shù)靈敏系數(shù)橫向效應(yīng)應(yīng)變極限機(jī)械滯后零漂和蠕變動態(tài)特性應(yīng)變片電阻值最大工作電流溫度特性壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大的變化，這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)。1.2固態(tài)壓阻式傳感器金屬材料：電阻率的變化由式中前兩項(xiàng)引起。半導(dǎo)體：電阻率的變化由式中最后一項(xiàng)dρ/ρ引

起，前兩項(xiàng)很小，可忽略不計。半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶禁帶寬度壓阻元件體型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片

體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是采用P型或N型硅材料按其壓阻效應(yīng)最強(qiáng)的方向切割成厚度為0.02~0.05mm，寬度為0.2~0.5mm，長度為幾個毫米的薄片，然后用底基、覆蓋層、引出線將其組合成應(yīng)變片。擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片是隨著近代半導(dǎo)體工藝開展出現(xiàn)的新型元件。如將P型半導(dǎo)體擴(kuò)散到N型硅基底上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層線條，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。通常稱為壓敏電阻片。擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成。擴(kuò)散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)散電阻Si_n擴(kuò)散電阻Si_n

測量電路惠斯登直流電橋電路電橋平衡：R1R4=R2R3?橋電路半橋電路全橋電路誤差及補(bǔ)償零位誤差與補(bǔ)償〔調(diào)零〕串聯(lián)平衡并聯(lián)平衡溫度誤差與補(bǔ)償應(yīng)變片自補(bǔ)償橋路補(bǔ)償非線性誤差與補(bǔ)償差動電橋傳感器測量電路恒壓源恒流源應(yīng)變式傳感器典型接口電路壓阻式傳感器應(yīng)用例如電源電壓輸出信號R1R4R3R2實(shí)驗(yàn)電路壓力傳感器電子稱原理:將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化

為電量輸出。46

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

橋梁固有頻率測量醫(yī)學(xué)應(yīng)用之一

——血壓測量箔式壓力傳感器的膜片圖中1為金屬膜片，2、3、4、5分別為四組金屬電阻應(yīng)變箔的柵絲。6、6′、7、7′為4個很寬的引線片，它們的面積很寬，引線片局部的電阻值十分小。這樣的應(yīng)變片常稱為“應(yīng)變花〞，它與金屬膜片粘貼在一起，四組應(yīng)變箔被連接成一個完整的四臂電橋。51

圖中1為金屬膜片，2、3、4、5為箔式應(yīng)變片，它們按一定的位置粘貼在膜片l上。

圓形壓力膜片上的應(yīng)變片的粘貼位置是一個很重要的問題。52圓膜片的周邊如果按圖中所示的方法作剛性固定時，膜片受到來自一側(cè)的血壓均勻作用將會發(fā)生彎曲變形，那么膜片另一側(cè)不同的點(diǎn)上所出現(xiàn)的應(yīng)變分布狀態(tài)如圖中的曲線εr和ετ所示。

εr為徑向應(yīng)變曲線，是在膜片的平面內(nèi)沿半徑方向的應(yīng)變；ετ為切向應(yīng)變曲線，是在膜片的平面內(nèi)以中心點(diǎn)為圓心的同心圓的切線方向的應(yīng)變。53

膜片式壓力傳感器中，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力P作用下，膜片上任一點(diǎn)產(chǎn)生徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變ετ

，表達(dá)式分別為

〔3-11〕式中：P—單位面積上的壓力;

μ—膜片材料的泊松系數(shù)

y—膜片材料的楊氏模量;h—膜片的厚度

R—膜片的半徑;x—膜片中心到應(yīng)變計算點(diǎn)的距離。54在膜片的中心〔x=0)，徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變都到達(dá)了最大值，εrmax=εtmax即55在膜片的邊緣，即當(dāng)x=R

時，

ετ=0，εr=-2εrmax

在半徑

處的εr=0

因此將一片應(yīng)變片貼在靠近中心的正應(yīng)變區(qū)，另一片貼在靠近邊緣的負(fù)應(yīng)變區(qū)，當(dāng)壓力作用于膜片一側(cè)時，兩片應(yīng)變片的應(yīng)變將向著相反的方向變化，將它們組合在電橋中就可以得到更大的信號。56在以下圖A、B兩種情況下，應(yīng)變片的粘貼部位都考慮了上述原理。在圖A中周邊的輻射狀的柵箔承受負(fù)的徑向應(yīng)變；中部圈弧狀的柵箱那么受到了較大的正切向應(yīng)變。在圖B中，3、4應(yīng)變片承受了較大的正切向應(yīng)變，而2、5應(yīng)變片承受了較大的負(fù)徑向應(yīng)變?？梢姡@兩種設(shè)計中都考慮了最有利的測量條件。AB57導(dǎo)管端部傳感器液體耦合式血壓傳感器

擴(kuò)散硅膜片是用半導(dǎo)體工藝制成的，可做得極小，裝在7號和9號導(dǎo)管的管內(nèi)，膜片直徑小于1mm。目前已有把擴(kuò)散硅膜片裝入注射針頭內(nèi)的傳感器，它可以用來插入血管內(nèi)直接測量血壓，也可測量膽道壓力。

如圖為心導(dǎo)管式壓阻傳感器的結(jié)構(gòu)圖。在心導(dǎo)管端部裝有擴(kuò)散型壓阻傳感器，擴(kuò)散膜片裝在金屬支座上，導(dǎo)線由導(dǎo)管引出，在導(dǎo)管的側(cè)面開一小孔，在小孔上涂有硅橡膠膜，此膜既起傳遞心內(nèi)壓力的作用，又起封閉作用?？梢?，心內(nèi)壓力是通過硅橡膠膜傳遞給硅膜片而引起擴(kuò)散電阻變化的。導(dǎo)管外徑小于2mm，導(dǎo)管是通過靜脈導(dǎo)入心臟內(nèi)的。醫(yī)學(xué)應(yīng)用之二